CN108103671A - 一种基于伺服针刺头单元的机器人针刺设备 - Google Patents

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陈小明
陈利
谢军波
张帆
张一帆
耿伟
杜培健
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    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
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    • D04H18/02—Needling machines with needles

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Abstract

本发明公开了一种基于伺服针刺头单元的机器人针刺设备，包括六自由度机器人、芯模和位于机器人工作范围内的工作台；所述工作台上表面安装有芯模，芯模与伺服电机的输出轴连接；其特征在于所述设备还包括伺服针刺头单元组件；所述伺服针刺头单元组件与机器人连接。该设备可实现复杂空间曲面预制体的针刺成型；针刺速度可控，针刺深度可实时动态调整；采用压力传感器检测剥网板和织物间的压力，可实现剥网板和织物之间距离的智能准确控制；设备结构简单、维护方便、操作简单、灵活高效。

Description

一种基于伺服针刺头单元的机器人针刺设备
技术领域
本发明涉及复合材料立体预制件制造设备，具体为一种基于伺服针刺头单元的机器人针刺设备。
背景技术
三维针刺成型技术分为平面预制件针刺成型和复杂构件(异型)预制件针刺成型。平面预制件针刺成型研究较为广泛，如Pierre Olry(U.S.Patent 4790052)开发了平板预制件针刺成型技术，该技术可实现预制件的均匀针刺成型；Olry P等(U.S.Patent6009605)发明了一种圆形针刺机，该机器利用螺旋变形带来制备复合材料刹车盘的预制件；一种环形预制件制备机器由Delecroix V等(U.S.Patent 7251871)开发，该机器直接利用商业纱线制备环形预制件，节省制备螺旋带的中间环节，从而降低了生产制造成本。以上的针刺技术属于平面针刺成型技术，适合制备形状较为简单的预制件，在制备高厚或者异形结构预制件时，上述针刺技术就显示出其局限性。
对于异型预制件针刺成型技术，Olry P(U.S.Patent 4621662)发明了“Novoltex”针刺成型技术，该技术利用针刺纤维带制备轴对称非圆柱形状的预制件，特别用于制造发动机喷管尾锥复合材料的增强体。专利CN107059252A公开了一种变直径回转体织物针刺成型设备，用于顶、底不封闭的变径预制体制备。CN202898738U公开了一种异型数控针刺机，用于特定品形的封顶预制体针刺成型制备。然而，上述的异型预制件针刺成型技术用于制备复杂多曲率曲面形状预制件时存在局限性。针对该问题，专利CN105755680A公开了一种机器人针刺设备，用于复杂多曲率曲面形状预制件制备，虽然该设备可实现复杂空间曲面预制件的针刺成型，然而该设备采用气动针刺，针刺速度较慢，效率无法得到有效保证；另外，由于气缸行程固定，无法实时动态的变换针刺深度以实现梯度针刺成型；最后，该设备的剥网板不具备压力反馈功能，剥网板与织物之间的距离很难准确控制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于伺服针刺头单元的机器人针刺设备。该设备可实现复杂空间曲面预制件的针刺成型，设备结构简单、可实现高速针刺、针刺深度实时动态调整、剥网板和织物之间距离的智能调整。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于伺服针刺头单元的机器人针刺设备，包括六自由度机器人、芯模和位于六自由度机器人工作范围内的工作台；所述工作台上表面安装有芯模，芯模与伺服电机的输出轴连接；其特征在于所述设备还包括伺服针刺头单元组件；所述伺服针刺头单元组件与六自由度机器人连接；
所述伺服针刺头单元组件包括连接法兰、伺服电机、伺服电机安装板、联轴器、针板安装板、针板、刺针、剥网板、底板、前端轴承座、直线导轨、导轨滑块、丝杠螺母、两个压力传感器安装板、两个压力传感器、后端轴承座和丝杠；
所述伺服针刺头单元组件通过连接法兰与六自由度机器人螺纹连接；所述连接法兰与底板螺纹连接；所述的伺服电机安装板、前端轴承座、直线导轨、后端轴承座分别与底板螺纹连接；所述的伺服电机通过螺纹连接安装于伺服电机安装板的一侧；所述的丝杠两端通过孔轴配合分别安装于前端轴承座和后端轴承座；所述的伺服电机和丝杠通过联轴器连接；所述的导轨滑块安装在直线导轨上；所述丝杠螺母通过螺纹连接安装在导轨滑块上；所述的针板安装板通过螺纹连接安装在丝杠螺母上；所述的针板通过螺纹连接安装在针板安装板上；所述的刺针通过孔轴配合安装在针板上；所述的压力传感器安装板与底板螺纹连接；所述的压力传感器通过螺纹连接安装在压力传感器安装板上；所述的剥网板通过螺纹连接安装在压力传感器上。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1.采用伺服电机作为针刺的执行元件，针刺速度可控，可实现高速针刺，提高针刺效率，且针刺深度可实时动态调整，以实现梯度针刺成型；
2.本发明采用压力传感器检测剥网板和织物间的压力，可实现剥网板和织物之间距离的智能准确控制。
附图说明
图1是本发明基于伺服针刺头单元的机器人针刺设备一种实施例的整体结构***图；
图2和图3是本发明基于伺服针刺头单元的机器人针刺设备一种实施例的伺服针刺头组件的结构示意图；
图4是本发明基于伺服针刺头单元的机器人针刺设备一种实施例的工作台的结构示意图；
图5是本发明基于伺服针刺头单元的机器人针刺设备实施例1的预制件结构示意图。(图中1、六自由度机器人；2、伺服针刺头单元组件；3、芯模；4、工作台；2.1、连接法兰；2.2、伺服电机；2.3、伺服电机安装板；2.4、联轴器；2.5、针板安装板；2.6、针板；2.7、刺针；2.8、剥网板；2.9、底板；2.10、前段轴承座；2.11、直线导轨；2.12、导轨滑块；2.13、丝杠螺母；2.14、压力传感器安装板；2.15、压力传感器；2.16、后端轴承座；2.17、丝杠；2.18、压力传感器；2.19、压力传感器安装板；5、底毡；6、预制件)
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种基于伺服针刺头单元的机器人针刺设备(参见图1-4，简称设备)，包括六自由度机器人(简称机器人)1、伺服针刺头单元组件2、芯模3和位于机器人1工作范围内的工作台4；所述机器人1能够到达其工作范围内的空间任意方向和任意位置；所述伺服针刺头单元组件2与机器人1连接；所述伺服针刺头单元组件2通过六自由度机器人1能够到达其工作范围内的空间任意方向和任意位置；所述工作台4上表面安装有能够水平旋转的芯模3，芯模3与伺服电机的输出轴连接，其动力由伺服电机提供；
所述机器人1和伺服电机为现有市售产品；所述伺服针刺头单元组件2包括连接法兰2.1、伺服电机2.2、伺服电机安装板2.3、联轴器2.4、针板安装板2.5、针板2.6、刺针2.7、剥网板2.8、底板2.9、前端轴承座2.10、直线导轨2.11、导轨滑块2.12、丝杠螺母2.13、两个压力传感器安装板2.14和2.19、两个压力传感器2.15和2.18、后端轴承座2.16和丝杠2.17；
所述伺服针刺头单元组件2通过连接法兰2.1与六自由度机器人1螺纹连接；所述连接法兰2.1与底板2.9螺纹连接；所述的伺服电机安装板2.3、前端轴承座2.10、直线导轨2.11、后端轴承座2.16分别与底板2.9螺纹连接；所述的伺服电机2.2通过螺纹连接安装于伺服电机安装板2.3的一侧；所述的丝杠2.17两端通过孔轴配合分别安装于前端轴承座2.10和后端轴承座2.16上；所述的伺服电机2.2和丝杠2.17通过联轴器2.4连接；所述的导轨滑块2.12安装在直线导轨2.11上；所述丝杠螺母2.13通过螺纹连接安装在导轨滑块2.12上；所述的针板安装板2.5通过螺纹连接安装在丝杠螺母2.13上；所述的针板2.6通过螺纹连接安装在针板安装板2.5上；所述的刺针2.7通过孔轴配合安装在针板2.6上；所述的压力传感器安装板2.14和2.19分别与底板2.9螺纹连接；所述的压力传感器2.15和2.18分别通过螺纹连接安装在压力传感器安装板2.14和2.19上；所述的剥网板2.8通过螺纹连接安装在压力传感器2.15和2.18上。
所述机器人1的型号是Kawasaki RS50N。
位于六自由度机器人1机械臂末端的伺服针刺头单元组件2能够针对任一工作范围内的位置进行针刺；伺服针刺头单元组件2采用伺服电机2.2作为动力源，带动丝杠2.17旋转，丝杠2.17旋转带动丝杠螺母2.13向前和向后往复直线运动，丝杠螺母2.13带动针板安装板2.5和针板2.6往复直线运动，进而驱动刺针2.7往复运动而实现针刺。
本发明的工作原理和工作流程是：开机，六自由度机器人1带动伺服针刺头单元组件2到达工位，伺服针刺头单元组件2的采用伺服电机2.2输出，采用伺服电机2.2通过联轴器2.4带动丝杠2.17旋转，进而推动针板2.6和刺针2.7向前运动，刺针2.7刺入织物预制件，伺服电机2.2正反转运动，进而驱动刺针2.7往复运动而实现针刺，针刺结束后，丝杠螺母2.13退回初始点。六自由度机器人1带动伺服针刺头单元组件2到达下一个工位，继续针刺。
实施例1
使用所述基于伺服针刺头单元的机器人针刺设备织造一种顶部封闭的锥形回转预制件(参见图5)。
材料：短切纤维毡，密度为100g/m2，厚度为0.8mm。
具体织造实施步骤是：
(1)在芯模3上套上底毡5。
(2)在底毡5上铺上一层短切纤维毡。
(3)通过可编程控制器(PLC)编程和触摸屏(HMI)设定针刺的往返速度和针刺深度，这里设定针刺深度为30mm，针刺往复速度为150mm/s。
(4)启动机器，机器人1臂末端的伺服针刺头单元组件2按机器人1程序运动至指定的初始位置，伺服针刺头单元组件2开始按设定的PLC程序进行针刺，伺服电机2.2正传输出，带动丝杠2.17旋转，丝杠2.17带动丝杠螺母2.13向前直线运动，丝杠螺母2.13带动针板安装板2.5和针板2.6向前运动，针板2.6带动刺针2.7向前运动将短切纤维刺入预制件30mm，然后伺服电机2.2反转运动，进而驱动刺针2.7退回针刺初始点位置，完成一次针刺过程。机器人1带动伺服针刺头单元组件2按预先规划好的轨迹运动到下一目标针刺位置，PLC控制***控制芯模3完成预定角度进给，以进行下一步的针刺循环，如此反复，直至完成整个产品的单层针刺。
(5)单层针刺完，铺上新的一层短切纤维毡，循环步骤(4)，进行下一层的针刺，直到达到预定的预制件厚度。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (1)

1.一种基于伺服针刺头单元的机器人针刺设备，包括六自由度机器人、芯模和位于六自由度机器人工作范围内的工作台；所述工作台上表面安装有芯模，芯模与伺服电机的输出轴连接；其特征在于所述设备还包括伺服针刺头单元组件；所述伺服针刺头单元组件与六自由度机器人连接；
所述伺服针刺头单元组件包括连接法兰、伺服电机、伺服电机安装板、联轴器、针板安装板、针板、刺针、剥网板、底板、前端轴承座、直线导轨、导轨滑块、丝杠螺母、两个压力传感器安装板、两个压力传感器、后端轴承座和丝杠；所述伺服针刺头单元组件通过连接法兰与六自由度机器人螺纹连接；所述连接法兰与底板螺纹连接；所述的伺服电机安装板、前端轴承座、直线导轨、后端轴承座分别与底板螺纹连接；所述的伺服电机通过螺纹连接安装于伺服电机安装板的一侧；所述的丝杠两端通过孔轴配合分别安装于前端轴承座和后端轴承座；所述的伺服电机和丝杠通过联轴器连接；所述的导轨滑块安装在直线导轨上；所述丝杠螺母通过螺纹连接安装在导轨滑块上；所述的针板安装板通过螺纹连接安装在丝杠螺母上；所述的针板通过螺纹连接安装在针板安装板上；所述的刺针通过孔轴配合安装在针板上；所述的压力传感器安装板与底板螺纹连接；所述的压力传感器通过螺纹连接安装在压力传感器安装板上；所述的剥网板通过螺纹连接安装在压力传感器上。
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